深水結(jié)構(gòu)實驗室試驗關(guān)鍵問題分析

余建星，馬 駿，王保建，王永更，卞雪航，陳飛宇，龔凡明，周健狀

（天津大學(xué) 港口與海洋工程教育部、天津市重點(diǎn)實驗室，建筑工程學(xué)院，天津 300072）

深水結(jié)構(gòu)實驗室試驗關(guān)鍵問題分析

余建星，馬 駿，王保建，王永更，卞雪航，陳飛宇，龔凡明，周健狀

（天津大學(xué) 港口與海洋工程教育部、天津市重點(diǎn)實驗室，建筑工程學(xué)院，天津 300072）

主要針對深水結(jié)構(gòu)實驗室進(jìn)行的一系列管件屈曲壓潰試驗中出現(xiàn)的關(guān)鍵問題進(jìn)行全面綜合的深入分析，并提出切實可行的有效解決方法，從而大大縮短試驗周期，減少人力、物力、財力等的消耗，提高試驗質(zhì)量，加快試驗進(jìn)度。

深水結(jié)構(gòu)實驗室；管件壓潰；問題分析；解決方法

對于深水結(jié)構(gòu)的研究國內(nèi)并不多見，在國外也是屈指可數(shù)。文中著重就深水海底管道屈曲壓潰試驗中的一系列問題加以總結(jié)，并提出切實有效的解決方法。

在為期一個多月的試驗時間中，筆者所在實驗室總共試驗了20根管件。在保證試驗質(zhì)量，試驗安全，試驗工作人員正常休息的前提下，從做第一根管件長達(dá)5 d的周期，到最后第20根管件僅用了2 d。這個在時間上的大幅度縮短，也正是筆者在試驗中不斷發(fā)現(xiàn)問題，解決問題，改善試驗方式方法，改進(jìn)試驗工藝，提高試驗效率的過程。

因此，特別為此項試驗按照試驗過程順序出現(xiàn)的一些問題進(jìn)行分析，并對解決方法進(jìn)行匯總。

1 試驗測試系統(tǒng)常見問題

1.1 應(yīng)變片問題

當(dāng)完成粘貼應(yīng)變片、接線端子及其焊接引出線工作后，從引出線兩端測量應(yīng)變片電阻時，發(fā)現(xiàn)電阻超過萬用表最大量程，無讀數(shù)。

原因分析：

（1）應(yīng)變片在粘貼過程中受擠壓碰撞而損壞；

（2）應(yīng)變片銅線與接線端子間存在斷路；

（3）引出線內(nèi)部存在斷路。

解決方法：

（1）用放大鏡仔細(xì)觀察應(yīng)變片表面及其銅線是否有損壞斷裂問題，若有，則說明是前兩個原因所致；

（2）若不是前兩個原因，則說明引出線內(nèi)部存在斷路，將引出線從焊錫處焊掉，換線重焊。

1.2 補(bǔ)償片問題

由于各種原因?qū)е履硞€補(bǔ)償片連線出現(xiàn)斷路等問題而不能使用。此次試驗管件長8 m，在管件上每隔1 m作為一站，每站粘貼10個應(yīng)變片。每個補(bǔ)償片可以補(bǔ)償8個應(yīng)變片，即如果其中一個補(bǔ)償片壞掉，將導(dǎo)致8個應(yīng)變片數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確。所以補(bǔ)償片的正常使用尤其重要。以“舍小保大”為原則，筆者實驗室在壞掉的補(bǔ)償片附近以一根正常的應(yīng)變片引出線連接到補(bǔ)償片上，在應(yīng)變儀一端也做對應(yīng)變更，即將該應(yīng)變片引出線安插在應(yīng)變儀補(bǔ)償片的位置上。而對于該應(yīng)變片則不再連接引線。這樣舍棄1個應(yīng)變片的數(shù)據(jù)以保證其他7個數(shù)據(jù)的正常。

應(yīng)變片是物理參數(shù)轉(zhuǎn)化為電流參數(shù)的高精度傳感元件，所以要考慮到溫度的影響。而且在焊應(yīng)變片時的溫度和測量應(yīng)變片時的溫度是不一樣的，這時候應(yīng)變片沒受載荷就已經(jīng)有應(yīng)變了，所以要用溫度補(bǔ)償片減掉溫度帶來的應(yīng)變。

2 試驗安裝系統(tǒng)常見問題

2.1 安裝前端蓋問題

當(dāng)軌道托車承載壓力艙前端蓋并將其安裝在壓力艙上時，出現(xiàn)前端蓋螺孔與壓力艙前端螺栓不能正常一一對位問題。

原因分析：

（1）前端蓋重達(dá)10 t，長期壓在軌道車上使軌道地基下沉或傾斜；

（2）前次試驗周期中前端蓋螺孔與壓力艙前端螺栓有擦碰，而致使前端蓋傾斜或軌道車有相對軌道的橫向偏移；

（3）在前端蓋法蘭連接管件時，由于天車吊裝管件的作用致使連同前端蓋也有一定的移動。

解決方法：

（1）采用軌道車下部四個豎直方向和兩側(cè)水平方向的千斤頂，對軌道車進(jìn)行調(diào)節(jié)，從而校正前端蓋位置；

（2）如果上述方法不足以校正前端蓋位置，可用天車適當(dāng)?shù)跗鹎岸松w進(jìn)行適當(dāng)旋轉(zhuǎn)調(diào)整。

2.2 尾端螺柱不能伸出問題

在將管件往壓力艙中送入時，同時也應(yīng)有人注意觀察壓力艙尾端，檢查管件尾端螺柱是否能夠正常順利從艙內(nèi)伸出，以防螺柱擦碰艙體內(nèi)壁。如果尾端螺柱偏離艙體中軸線太遠(yuǎn)，則尾端螺柱將不能正常伸出。

原因分析：

（1）管件前端法蘭連接不正，即法蘭面與管件軸線未垂直，造成偏移累加。根據(jù)計算，8 m長的管件，前端即使有0.5°的偏斜，也會導(dǎo)致尾端6.981 cm的偏移，而這個數(shù)值是尾端伸出孔所不允許的，如圖1所示。

圖1 管件偏斜模型

（2）管件尾端法蘭連接不正，即法蘭面與管件軸線未垂直，雖不會有偏移累加，也會造成一定程度的傾斜。

解決方法：

用軌道車將管件從壓力艙退出，對于第一個原因引起的問題，將管件前端法蘭重新焊接；對于第二個原因引起的問題，將管件尾端法蘭重新焊接。

3 試驗過程常見問題

3.1 視頻監(jiān)控有橫條干擾

在試驗過程中，視頻監(jiān)控畫面不清晰，有橫條波紋干擾。

原因分析：

（1）攝像機(jī)連接電路有接觸不良之處；

（2）附近有電焊機(jī)等作業(yè)，形成干擾信號。

因為在焊接焊割管件法蘭以及一些其他輔助性管架時采用電弧焊，電焊的短時間電流強(qiáng)度很大，導(dǎo)致消耗在線路上的電壓大，造成電壓不穩(wěn)定，會造成周邊其他用電設(shè)備不能正常工作。另外，我們使用的CRT顯示器（Cathode Ray Tude），即陰極射線管顯示器，也一種很容易被電磁干擾的顯示器。

解決方法：

（1）檢查攝像頭連接電路，將各個接線處接緊；

（2）若周圍有電焊機(jī)等作業(yè)并確實造成干擾，應(yīng)當(dāng)在試驗時予以禁止。

3.2 試驗時艙體內(nèi)升壓較慢

原因分析：

（1）可能是由于艙體加壓前未注滿水或艙內(nèi)空氣未排盡，致使加壓時要先壓縮艙內(nèi)空氣；

（2）加壓泵的水中含有水銹等各種雜質(zhì)，導(dǎo)致加壓泵進(jìn)水管阻塞，加壓緩慢；

（3）艙體內(nèi)管件受水壓已產(chǎn)生彈性變形，使得加壓泵進(jìn)來的水沒有全部形成水壓，而是填補(bǔ)管件變形產(chǎn)生的容積。

解決方法：

（1）停止加壓，并通過泄壓閥將剩余水壓卸掉，重新向艙內(nèi)注水；

（2）檢修加壓泵，清理其進(jìn)水管；

（3）如采取前兩種方法仍然不能使水壓上升加快，說明管件已逐漸變形，為安全起見，不宜加壓過高。

3.3 艙內(nèi)管件遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出理論壓潰值而未壓潰

原因分析：

管件法蘭焊接處或管壁有缺陷處已經(jīng)破損進(jìn)水，致使管件內(nèi)外水壓平衡而不能壓潰。

解決方法：

艙體減壓排水后，將管件從艙體退出，如果是管件法蘭焊接處漏水且管件未受壓變形，可以將法蘭重新焊接供再次試驗使用。

3.4 數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)出現(xiàn)異常，如數(shù)據(jù)缺失、不穩(wěn)定等

原因分析：

（1）壓力傳感器、應(yīng)變片等數(shù)據(jù)采集元件損壞會導(dǎo)致部分?jǐn)?shù)據(jù)不能正常輸出；

（2）應(yīng)變儀未打開或是應(yīng)變儀剛剛啟動，數(shù)據(jù)尚未傳輸?shù)接嬎銠C(jī)會導(dǎo)致全部數(shù)據(jù)不能正常輸出；

（3）應(yīng)變儀接地線故障會導(dǎo)致數(shù)據(jù)不穩(wěn)定。

解決方法：

（1）檢查應(yīng)變儀是否已開啟，若已開啟，則檢查電腦軟件系統(tǒng)是否異常工作，重啟電腦或數(shù)據(jù)采集軟件。若應(yīng)變儀未開啟，則馬上開啟，考機(jī)一段時間再開始試驗；

（2）檢查應(yīng)變儀接地線是否接好。

本試驗壓力艙采用的是金屬電阻應(yīng)變片式壓力傳感器。其工作原理是將應(yīng)變片緊密粘合在產(chǎn)生力學(xué)應(yīng)變基體上，當(dāng)基體受力發(fā)生應(yīng)力變化時，電阻應(yīng)變片也一起產(chǎn)生形變，使應(yīng)變片的阻值發(fā)生改變（俗稱電阻應(yīng)變效應(yīng)），從而使加在電阻上的電壓發(fā)生變化。通過測得的電壓變化，推出電阻變化，最后進(jìn)一步導(dǎo)出應(yīng)變片應(yīng)變值。

金屬電阻應(yīng)變式傳感器屬于精密元件，其上的應(yīng)變片應(yīng)謹(jǐn)慎小心使用，避免碰撞、震動等機(jī)械損耗。在我們做第二根管件壓潰試驗時，就出現(xiàn)了部分?jǐn)?shù)據(jù)不能正常輸出的情況。經(jīng)過檢查，發(fā)現(xiàn)是傳感器損壞所致。而導(dǎo)致傳感器發(fā)生故障的原因則是在用風(fēng)炮緊固尾端蓋螺母時，產(chǎn)生的劇烈震動使得傳感器內(nèi)部應(yīng)變片損壞。為此，在試驗時我們采取了先安裝尾端蓋后安裝傳感器的方法，以避免傳感器的再次損壞。

3.5 壓力艙排水緩慢

當(dāng)我們在加壓將管件壓潰并已經(jīng)卸掉水壓后，排水時發(fā)現(xiàn)水流緩慢，從排水管與下水道接口處可以觀察到水并非成股大量流出。

原因分析：

（1）壓力艙頂部高壓截止排氣閥未擰開或未完全擰開；

（2）壓力艙底部排水閥未完全擰開；

（3）排水管道截止閥未完全擰開；

（4）壓力艙內(nèi)部排水口處被雜物堵住。

解決方法：

（1）檢查高壓截止閥，排水閥，排水管道截止閥是否已擰開，要將三者都完全擰開，即用適當(dāng)力度擰到擰不動為止；

（2）若上述方法仍不奏效，則可能是壓力艙內(nèi)部排水口處被堵。由于受高壓作用，粘貼和固定在管壁的應(yīng)變片涂膠，補(bǔ)償塊等可能會從管壁脫落而順?biāo)鞫伦∨潘?。這時應(yīng)等艙內(nèi)排水殆盡（可能時間會比較長，約2 h），再打開前后端蓋。試驗人員入艙檢查排水口情況，及時清理雜物。

4 結(jié)論

以上就是筆者在對整個模擬深海水壓下管道屈曲壓潰試驗中出現(xiàn)的問題、原因以及解決方法的總結(jié)。在試驗中，每發(fā)現(xiàn)一個問題，筆者都會及時分析其原因，并盡快找出最好的解決方法，避免以后出現(xiàn)類似問題，并且縮短了試驗周期，提高了試驗效率，加快了試驗進(jìn)度，節(jié)約試驗成本，有利于后續(xù)試驗更加順利地完成。

[1]趙冬巖，余建星，丘志勇，等.含缺陷海底管道屈曲穩(wěn)定性分析的數(shù)值模擬[J].天津大學(xué)學(xué)報，2009,42(12)：24-30.

[2]郭建江，馬良.深水管道屈曲傳播的動力特性[J].國外油氣儲運(yùn)，1993,14(4)：:13-22.

[3]黨學(xué)博，龔順風(fēng)，等．深水海底管道極限承載能力分析[J].浙江大學(xué)學(xué)報，2010,44(4)：31-34.

[4]尹福炎.電阻應(yīng)變片的溫度自補(bǔ)償及其他[J].稱重知識，2009:25-40.

[5] 蔣勇.手工電弧焊的安全防護(hù)[J].安全，2009（4）:36-50.

Key Problem Analysis of Deep-water Structure Lab Experiment

YU Jian-xing,MA Jun,WANG Bao-jian,WANG Yong-geng,BIAN Xue-hang,CHEN Fei-yu,GONG Fan-ming,ZHOU Jian-zhuang
(School of Civil Engineering,Tianjin University,Tianjin 300072,China)

Analysis of key problems proposed in the serial experiments of pipeline buckling-crushing is given.Through the experiments,the solution is proposed to greatly reduce the experiments period,manpower,material,financial and other consumption,and to improve experiments quality,speed up the schedule.

Deep-water structure Lab;pipeline-crushing;problem analysis;solution

P751

B

1003-2029（2011）04-0102-03

2011-03-01

國家科技重大專項資助項目（2008ZX05026-005-05）；上海交通大學(xué)海洋工程國家重點(diǎn)實驗室研究基金資助項目

余建星（1958- ），男，教授，博士生導(dǎo)師，主要研究方向為深水海底管道屈曲及大型工程結(jié)構(gòu)可靠性分析與優(yōu)化、風(fēng)險評估與控制。Email：yjx2000@tju.edu.cn，famame@tju.edu.cn